43. ЗАКОН ОМА

Электрический ток.

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов.

Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля. Поэтому достаточным условием для существования электрического тока является наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.

Электрическое поле может быть создано, например, двумя разноименно заряженными телами. Соединяя проводником разноименно заряженные тела, можно получить электрический ток, протекающий в течение короткого интервала времени.

Отношение заряда переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу времени называется силой тока I:

Если сила тока со временем не изменяется, электрический ток называют постоянным током.

Источники постоянного тока. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными

условия, при которых возникает электрический ток.

Если в начальный момент времени потенциал точки А проводника выше потенциала точки В (рис. 148), то перенос положительного аарада из точки А к точке В приводит к уменьшению разности потенциалов между ними. Чтобы разность потенциалов оставалась неизменной, необходимо точно такой же заряд перенести из точки В в точку А.

Из точки А в точку В электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение их из точки В в точку А будет происходить в направлении против сил электрического поля. Такое перемещение заряда может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.

Сторонние силы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод — электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Электрическая цепь постоянного тока.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь постоянного тока, составленную из одного гальванического элемента и проводника (рис. 149). На внешнем участке цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение зарядов внутри проводника не приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника, так как в каждый момент времени источник тока доставляет к одному концу электрической цепи точно такое же число заряженных частиц, какое из него перешло к другому концу внешней электрической цепи. Поэтому сохраняется неизменным напряжение между началом и концом внешнего участка электрической цепи; напряженность электрического поля внутри проводников в этой цепи отлична от нуля и постоянна во времени.

Закон Она для участка цепи.

Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

Эту величину называют электрическим сопротивлением проводника.

Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:

Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:

Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества.

Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения и электрического сопротивления участка цепи называют законом Ома для участка цепи:

Сила тока I прямо пропорциональна напряжению V и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению участка цепи.

Последовательное и параллельное соединение проводников.

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т. д. При этом сила тока I одинакова во всех проводниках, а напряжение на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках. Например, для трех последовательно включенных проводников 1, 2, 3 (рис. 150) с электрическими сопротивлениями получим

По закону Ома для участка цепи

где — полное сопротивление участка цепи из последовательно включенных проводников. Из выражений (43.4) и (43.5) будем иметь Таким образом,

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

Из соотношений (43.5) следует, что напряжения на последовательно включенных проводниках

прямо пропорциональны их сопротивлениям

При параллельном соединении проводников 1, 2, 3 (рис. 151) их начала и концы имеют общие точки подключения к источнику тока. При этом напряжение на всех проводниках одинаково, а сила тока 1 в неразветвленной цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках. Для трех параллельно включенных проводников сопротивлениями на основании закона Ома для участка цепи запишем

Обозначив общее сопротивление участка электрической цепи из трех параллельно включенных проводников через для силы тока в неразветвленной цепи получим

Так как

то из выражений (43.7), (43.8) и (43.9) следует, что

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.

Параллельный способ включения широко применяется для подключения ламп электрического освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.

Работа и мощность электрического тока.

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. Работа А сил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением за время равна

Мощность электрического тока равна отношению работы тока А ко времени за которое эта работа совершена:

Работа электрического тока выражается в джоулях, мощность — в ваттах.

Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока

равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:

Закон (43.12) был экспериментально установлен английским ученым Джеймсом Джоулем (1818—1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804— 1865), поэтому носит нагвание закона Джоуля — Ленца.

Внутреннее сопротивление источника тока.

В электрической цепи, состоящей из источника тока и проводников с электрическим сопротивлением электрический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Например, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря электрическим током нагреваются не только спираль лампы и подводящие провода, но и сама батарея. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением является электрическое сопротивление провода обмотки генератора. На внутреннем участке электрической цепи выделяется количество теплоты, равное

где — внутреннее сопротивление источника тока.

Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внутренний участки которой имеют сопротивления, соответственно равные и равно

Электродвижущая сила.

Полная работа сил электростатического поля при движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока равна нулю. Следовательно, вся работа электрического тока в замкнутой электрической цепи оказывается совершенной за счет действия сторонних сил, вызывающих разделение зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника

где — переносимый заряд.

Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т. е. в вольтах.

Закон Ома для полной цепи.

Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического тока в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источника тока, равна количеству теплоты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

Из выражений (43.14), (43.15) и (43.16) получаем

Так как

или

Сила тока и электрической цепи прямо пропорцнональна электродвижущей силе Я! источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Выражение (43.19) называется законом Ома для полной цепи.